楼道触摸延时开关的设计 2.docx
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楼道触摸延时开关的设计2
2011-2012学年第二学期
《数字电子技术》
课程设计报告
题目：
楼道触摸延时开关的设计
专业：
电子信息工程
班级：
10电信
（2）班
指导教师：
电气工程系
2012年5月20日
1、任务书
课题名称
楼道触摸延时开关的设计
指导教师（职称）
执行时间
2011~2012学年第二学期第14周
学生姓名
学号
承担任务
设计目的
1.掌握脉冲触发电路的设计。
2.了解触摸开关。
设计要求
1.设计一楼道触摸延时开关，其功能是当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并持续一段时间后自动熄灭
2.开关的延时时间约1分钟左右。
3.画出电路原理图。
4.进行电路的仿真和调试。
摘要
楼道触摸延时开关是一种简单、安全、新型的电子节能开关。
可广范应用于多层住宅和办公楼室外的走廊、门厅、楼梯间、电梯间、过道等公共场所，也可以在家庭安装。
本次设计利用模拟电路与数字电路，以直流稳压电源电路、NE555单稳态电路、和继电器控制电路为核心设计触摸延时开关。
需要开灯时，手指触摸开关感应区，电灯自动点亮，延时约一分钟，电灯自动熄灭。
设计表明这种开关制作简单，安全节能。
关键词：
单稳态电路,继电器,NE555定时器,触摸延时开关
第一章设计原理
楼道触摸延时开关是一种新型电子节能开关，可广范应用于多层住宅和办公楼室外的走廊，门厅，楼梯间，电梯间，过道等公共场所，也可以在家庭安装。
需要开灯时，手指轻轻触摸开关的感应区，电灯自动开启点亮，延时一分钟，电灯自动关闭熄灭。
该操作简单，实用节能，又没有声控开关有声音就亮的弊端。
触摸式延时控制开光具备以下功能特点：
节约电能，无触点，无污染，安全可靠。
为完成设计要求，设计电路应由如下几个部分组成：
1.完成由NE555定时器组成的单稳态电路实现对触摸开关的延时。
2.由继电器组成的控制电路通过继电器的通、断来实现对白炽灯的控制。
设计原理图如下：
电源
触发电路
计时电路
负载
由设计原理图可知该电路应由几部分组成，而且各个部分相对独立，因此，在进行设计电路的时可将各个部分分别设计，独立选择器件，独立测试，最后将这几部分进行组装、调试，达到设计完整楼道触摸延时开关的目的。
第二章触摸延时电路的设计
2.1555计时器
555计时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。
此电路后来竟风靡世界。
目前，流行的产品主要有4个：
BJT两个：
555，556（含有两个555）；CMOS两个：
7555，7556（含有两个7555）。
555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。
此外还有输出级和放电管。
输出级的驱动电流可达200mA。
比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。
当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。
若无需复位操作，复位端应接高电平。
2.2设计原理
触摸延时电路是基于时基芯片NE555构成的电路，主要用于开关闭合后控制电路在一段时间后自动断开达到延时的目的。
电路原理：
触摸延时开关电路主要由时基芯片NE555组成的定时电路，在这里接成单稳态电路。
平时由于触摸端无感应电压，电容
通过555第7脚放电完毕，第3脚输出为低电平，继电器KS释放，电灯不亮。
当需要开灯时，用手触碰一下触摸端，触发信号电压由
加至555的触发端，使555的输出由低变成高电平，继电器KS吸合，电灯点亮。
同时，555第7脚内部截止，电源便通过
给
充电，这就是定时的开始。
当电容
上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚导通使
放电，使第3脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，电灯熄灭，定时结束。
定时长短由
、
决定：
根据设计需要延时一分钟
=60s，设
=100μF，则
=
=
≈550KΩ
图2-1触摸延时电路原理图
第三章控制电路的设计
3.1.1继电器的定义
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
3.1.2继电器的分类
继电器按其工作原理不同又可分为电磁继电器，固态继电器，热敏干簧继电器，磁簧继电器，光继电器，时间继电器，高频继电器，极化继电器等。
按其负载大小又可分为微功率继电器，弱功率继电器，中功率继电器，大功率继电器等。
按其反应类型又可分为电流继电器，电压继电器，功率方向继电器，阻抗继电器，频率继电器，气体（瓦斯）继电器等
按其在保护回路中的作用又可分为启动继电器，度量继电器，时间继电器，中间计时器，信号继电器，出口继电器等。
3.1.3继电器的作用
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。
继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。
作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：
1.扩大控制范围：
例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
2.放大：
例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。
3.综合信号：
例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。
4.自动、遥控、监测：
例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
3.2电磁式继电器
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
图3.7.1继电器接线图
继电器的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动弹簧，使触点1、2断开，1、3接通，当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开，我们只要把需要控制的电路接在触点1、2间（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），就可以利用继电器达到某种控制的目的。
3.2控制电路的设计
当继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=m,即常开触点从断到通。
一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。
当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。
我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。
本设计中应用继电器的输入输出特性来控制负载，达到定时关灯的目的。
在楼道触摸延时开关设计中，控制电路主要由继电器与二极管组成，通过继电器的通断来控制灯泡的亮与熄灭。
电路中，继电器线圈两端反相并联了一只二极管，它是用于保护集成块的，切不可省去，否则在继电器由吸合状态转为释放时，由于电感的作用线圈上将产生较高的反电动势，极容易导致集成块击穿。
并联了二极管后，在继电器由吸合变为释放的瞬间，线圈将通过二极管形成短时间的续流回路，使线圈中的电流不致突变，从而避免了线圈中反电动势的产生，确保了集成块的安全。
图3-1控制电路图
工作原理：
当NE555三脚输出高电平时，继电器的线圈中会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合，电灯亮。
当NE555三脚输出低电平时，继电器中线圈断电，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放，此时电灯熄灭。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
控制电路参数要求：
继电器由NE555三脚输出电压决定，由于NE55的供电电源是5V，所以3脚输出电压略等与5V。
可以选用额定电压5V的继电器，二极管选用普通二极管。
第四章总电路的设计
由设计原理可知，本次设计的楼道触摸延时开关是由基于555计时器的触摸延时电路和基于继电器的控制电路组合构成的，故将二者结合极为下图所示的总电路图。
图4-1楼道触摸延时开关总电路原理图
经过直流稳压电源得到稳定的5V直流电压，为NE555提供工作电压，当需要开灯时，用手触碰一下感应区，触发信号电压加至555的触发端，使555的输出端由低变为高电平，继电器KS吸合，220V交流电形成回路，电灯点亮。
同时，电源通过定时电阻给定时电容充电，这就是定时的开始。
延时一段时间后555的输出端由高电平变为低电平，继电器释放，220V交流电形成的回路断开，电灯熄灭。
第五章电路仿真
图5-1实验总电路图
图5-2555计时器输出端为低电平时的波形
按设计方案连接仿真电路，当开关未闭合时，555继电器输出端为低电平，继电器保持断开状态，灯泡保持熄灭。
图5-2开关闭合时灯泡点亮
当开关闭合时，5V电压加在555计时器的触发端，使输出端信号有低电平变为高电平，继电器衔铁闭合，照明电路接通，灯泡点亮。
同时，电源通过定时电阻给定时电容充电，这就是定时的开始。
图5-2开关按下后555计时器输出端由低电平变为高电平
图5-3开关断开后灯泡继续保持点亮状态
图5-4开关断开后555计时器输出端保持高电平输出
图5-1继电器从高电平跳变到低电平时的波形变化
延时一段时间后555的输出端由高电平变为低电平，继电器释放，120V交流电形成的回路断开，电灯熄灭。
达到预定设计目的，设计成功。
结论
通过本次对楼道触摸延时开关的设计，使我从中学习到了许多的新知识，对触摸延时开关的认识又提升到了一个新的阶段，对于楼道触摸延时开关的设计，我们应该抓住其本质，主要包括直流稳压电源经过整流、滤波、稳压为NE555提供工作电压；完成由NE555定时器组成的单稳态电路实现对触摸开关的延时；由继电器组成的控制电路通过继电器的通、断来实现对白炽灯的控制。
附录一555定时器
图附1.1555定时器的内部逻辑电路构造
图2555定时器逻辑符号
图3555定时器管脚图
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
.
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。
清零端
高触发端TH
低触发端
Q
放电管T
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
x
保持上一状态
保持上一状态
1
0
1
0
1
1
0
导通截止
置1
清零
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）[R].高等教育出版社
[2]梅开乡，梅军进,电子电路设计与制作[R].北京理工大学出版社
[3]闵锐，徐勇，孙峥.电子线路基础[R].西安电子科技大学出版社
[4]刘国林.电工学[R].人民邮电出版社
[5]林育兹.电工电子学[R].电子工业出版社
楼道触摸延时开关
一、设计任务与要求
1、设计一个楼道触摸延时开关，其功能是当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并持续一段时间后自动熄灭。
2、开关的延时时间约1分钟左右。
二、方案设计与论证
楼道触摸延时开关的主要难点在于如何实现延时以及人用手触摸开关时候的安全性，延时可通过RC电路和继电器实现，延时时间可通过对RC电路的时间常数进行换算。
对此我想出了两种方案来设计。
原理框图如下所示：
人手触摸金属片产生微弱电流
电流经三极管放大驱动RC延时电路
延时电路产生一个打开继电器的有效电压
继电器关闭电灯点亮
RC放电结束继电器断开
电灯熄灭，等待下一次触摸信号到来
图2.1楼道触摸延时开关原理框图
方案一
题目的要求是触摸延时，我首先想到的是用555定时器进行延时输出，通过把555定时器设定在手动单稳态触发，即把THR和TRI脚连接到RC串联回路之间再接开关实现，则当开关按下时，触发器由稳态进入暂态，输出为高电平，当开关断开时，由于RC回路的存在，C向R放电，经过时间T=1.1*RC后，才再由暂态变成稳态，若在555的输出端接一个常开继电器，则在有高电平输出时继电器闭合，则可导通楼道电灯开关，当延时一段时间后再打开，即电灯熄灭。
在实际设计时发现LM555定时器的VCC电压不能设置正常，即220V市电通过变压整流滤波稳压之后接在555上电路会出错，而单独使用5V电压源则电路运行正常，由于找不出原因而放弃这种连接方法。
方案二
通过大量书籍的查阅，我了解到可以用三个三极管完成对延时电路的实现，即一个放大人手微弱漏电流的三极管T1，直接耦合一个若有第一级三极管放大后的电流就能工作在饱和状态的三极管T2（饱和状态可以通过设置静态工作点来实现），来使集电极处于低电平，再在下一级三极管T3之间加入RC回路，当T1和T2导通则T3工作，C通过T2的集电极充电，当T1和T2没有人手触摸断开时，T3由于C的放电而继续工作，我们在T3的集电极接一个继电器，则基本实现了电路的功能。
且该电路的三极管需要的稳压电源为12V，当我把220V市电经变压整流滤波稳压后能够正常工作，解决了方案一的问题。
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